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campo aeroespacial
Los materiales cerámicos especiales de alto rendimiento, también llamados cerámicas avanzadas, se refieren principalmente a materiales cerámicos con propiedades únicas y excelentes, que se preparan a partir de compuestos inorgánicos sintéticos de alta pureza mediante procesos de materiales modernos. Por lo tanto, el material se utiliza para la preparación de compuestos de matriz cerámica (CMC) con las ventajas de baja densidad, resistencia a la oxidación a alta temperatura, resistencia a la corrosión, bajo coeficiente de expansión térmica, baja fluencia, etc. Tiene una amplia gama de aplicaciones en campos de alta tecnología como la aviación/aeronáutica/armamento/marina. Entre ellos, los compuestos cerámicos a base de carburo de silicio son los materiales cerámicos especiales de alto rendimiento más intensamente investigados y mejor comercializados.
Rotor de turbina con álabes compuestos de matriz cerámica
Para mejorar la eficiencia de salida de los motores de combustión, los motores aeroespaciales, el componente de extremo caliente de la turbina de gas debe soportar altas temperaturas de 600 ℃ ~ 1200 ℃ y la interacción de tensiones complejas, los requisitos de materiales son muy exigentes. En comparación con las aleaciones de alta temperatura, el carburo de silicio no solo puede soportar altas temperaturas, su densidad es solo 1/4 ~ 1/3 de las aleaciones de alta temperatura, lo que significa que el peso del motor se puede reducir aún más, la misma carga de combustible , el alcance de la aeronave y la carga de bombas se pueden aumentar significativamente.
Por el lado de la demanda, con la finalización de los motores aeronáuticos de alta relación empuje-peso, la necesidad urgente de tecnología de vehículos espaciales y el rápido desarrollo, CMC, como material de nueva generación, ya ha demostrado un gran potencial de desarrollo en aplicaciones militares y civiles. . Según las previsiones de MarketsandMarkets, el mercado mundial de compuestos de matriz cerámica crecerá rápidamente a una CAGR del 9,65 % durante el período de 10 años 2016-2026, alcanzando los $7510 millones para 2026.
Las fibras de carburo de silicio extranjeras comenzaron temprano y tienen fuertes reservas técnicas. Debido a las barreras técnicas extremadamente altas, los precios son consistentemente altos y están constantemente embargados a China.
Compuestos de matriz cerámica
¿Qué es el material compuesto de matriz cerámica? Es un tipo de material compuesto con cerámica como matriz y varias fibras. La matriz cerámica puede ser cerámica estructural de alta temperatura, como nitruro de silicio y carburo de silicio. Estas cerámicas avanzadas tienen excelentes propiedades como resistencia a altas temperaturas, alta resistencia y rigidez, peso relativamente ligero y resistencia a la corrosión, mientras que la debilidad fatal es que son quebradizas y se agrietarán o incluso se fracturarán cuando estén en un estado de tensión que provoque la falla del material. El uso de compuestos de fibra de alta resistencia y alta elasticidad con la matriz es una forma eficaz de mejorar la tenacidad y la fiabilidad de la cerámica. El uso de compuestos de fibra de alta resistencia y alta elasticidad con la matriz es una forma efectiva de mejorar la tenacidad y la confiabilidad de la cerámica. Las fibras pueden prevenir la expansión de grietas, obteniendo así compuestos de matriz cerámica reforzados con fibra con excelente tenacidad.
Los compuestos de matriz cerámica se han utilizado como boquillas de motores de cohetes líquidos, cubiertas de antenas de misiles, puntas cónicas de transbordadores espaciales, discos de freno de aviones y discos de freno de automóviles de alta calidad, etc., convirtiéndose en una rama importante de nuevos materiales para alta tecnología.
Dado que los materiales cerámicos tienen una excelente resistencia al desgaste, alta dureza y buena resistencia a la corrosión, han obtenido una aplicación muy amplia. Sin embargo, el mayor inconveniente de la cerámica es que es frágil y sensible a las grietas y la porosidad, etc. Desde la década de 1980, los compuestos a base de cerámica obtenidos mediante la adición de partículas, bigotes y fibras a los materiales cerámicos han mejorado considerablemente la tenacidad de la cerámica.
Los compuestos de matriz cerámica con alta resistencia, alto módulo, baja densidad, resistencia a altas temperaturas, resistencia al desgaste y a la corrosión y buena tenacidad se han utilizado en herramientas de corte de alta velocidad y componentes de motores de combustión interna. Sin embargo, el desarrollo de estos materiales es tardío y su potencial aún no se ha explotado más. La investigación se centra en su aplicación a materiales de alta temperatura y materiales resistentes al desgaste y la corrosión, como turbinas mejoradas para motores de combustión interna de alta potencia, componentes térmicos para vehículos aeroespaciales, y en lugar de metal para motores de vehículos, contenedores petroquímicos, equipos de tratamiento de incineración de residuos. , etc.
Cuando se trata de cerámica, la gente naturalmente piensa en su característica de fragilidad. Hace más o menos una década, habría sido imposible que alguien lo aceptara si se hubiera utilizado como pieza de soporte de carga en el campo de la ingeniería. Hasta ahora, cuando se trata de compuestos cerámicos, algunas personas pueden no ser conscientes de que la cerámica y los materiales eran originalmente dos materiales básicos no relacionados, pero es solo desde que las personas han combinado hábilmente la cerámica y los metales que el concepto de este material ha cambiado fundamentalmente, que es compuestos de matriz cerámica.
Los compuestos de matriz cerámica son una nueva y prometedora estructuramaterial en la industria aeroespacial, especialmente en aplicaciones de fabricación de motores aeronáuticos, que muestran cada vez más su singularidad. Además de las ventajas de peso ligero y alta dureza, los compuestos de matriz cerámica también tienen una excelente resistencia a la alta dureza, los compuestos de matriz cerámica también tienen una excelente resistencia a altas temperaturas y resistencia a la corrosión a altas temperaturas. Actualmente, los compuestos de matriz cerámica han superado a los materiales metálicos resistentes al calor en términos de resistencia a altas temperaturas y tienen excelentes propiedades mecánicas y estabilidad química, lo que los convierte en un excelente material ideal para la región de alta temperatura de los motores de turbina de alto rendimiento.
Los países de todo el mundo se están centrando en los materiales cerámicos reforzados con nitruro de silicio y carburo de silicio en respuesta a los requisitos de materiales de los motores avanzados de próxima generación, y se ha logrado un gran progreso, especialmente para aplicaciones en motores aeronáuticos modernos. Por ejemplo, el motor F120 del avión de prueba de EE. UU., sus sellos de turbina de alta presión, parte de las partes de alta temperatura de la cámara de combustión, están hechos de materiales cerámicos. Por ejemplo, la cámara de combustión y la boquilla del motor francés M88-2 también están hechas de compuestos a base de cerámica.
Compuestos de Carbono/Carbono
¿Qué es el compuesto carbono/carbono? Es un material compuesto de matriz de carbono reforzado por fibra de carbono y su tejido. Tiene las ventajas de baja densidad (<2,0 g/cm³), alta resistencia, módulo específico y conductividad térmica, bajo coeficiente de expansión, buen rendimiento de fricción, así como buena resistencia al choque térmico y alta estabilidad dimensional, especialmente es uno de los pocos materiales alternativos aplicados por encima de 1650 ℃, y la temperatura teórica más alta es incluso superior a 2600 ℃, por lo que se considera uno de los materiales de alta temperatura más prometedores del mundo.
Aunque los compuestos de carbono/carbono tienen muchas propiedades excelentes a altas temperaturas, se oxidan en un entorno aeróbico a temperaturas superiores a 400 ℃, lo que da como resultado una degradación drástica del rendimiento del material. Por lo tanto, la aplicación de compuestos de carbono/carbono en un entorno aeróbico de alta temperatura debe contar con medidas de protección contra la oxidación. La protección contra la oxidación de los compuestos de carbono/carbono se realiza principalmente de dos maneras, es decir, a temperaturas más bajas, la modificación de la matriz y la pasivación de los sitios activos superficiales pueden llevarse a cabo para proteger los compuestos de carbono/carbono del contacto directo con el oxígeno con el fin de protegerlos contra la oxidación. Actualmente, el método más utilizado es el método de recubrimiento, ya que la tecnología continúa avanzando, existe una confianza cada vez mayor en el rendimiento a temperatura ultra alta de los compuestos de carbono/caborn, y la única solución factible de protección contra la oxidación en condiciones de temperatura ultra alta solo puede ser la protección con recubrimiento. .
Vale la pena mencionar que los compuestos de matriz C/C son uno de los nuevos materiales más valorados en el mundo para la resistencia a temperaturas más altas en los últimos años. Debido a que solo el material compuesto C/C se considera el único material que se puede fabricar como sucesor de las palas del rotor de la turbina con una relación empuje-peso superior a 20 y una temperatura de entrada del motor de hasta 1930-2227 ℃. Solía ser el material resistente a altas temperaturas en el que Estados Unidos se centró en desarrollar en el siglo XXI, especialmente el objetivo estratégico más alto que los países industrializados avanzados de todo el mundo se esforzaron por alcanzar.
Los llamados compuestos de matriz C/C son compuestos básicos de carbono reforzados con fibra de carbono, que combinan la fusibilidad del carbono con la alta resistencia y la alta rigidez de la fibra de carbono en uno, de modo que muestran daños no frágiles. Dado que el compuesto de matriz C/C tiene peso ligero, alta resistencia, estabilidad térmica superior y excelente conductividad térmica, es el material resistente a altas temperaturas más ideal en la actualidad, especialmente en el entorno de alta temperatura de 1000-1300 ℃, su resistencia no solo no disminuir, pero puede aumentar. En particular, todavía mantiene la fuerza y el viento en un ambiente a temperatura ambiente cuando está por debajo de 1650 ℃. Por lo tanto, los compuestos de matriz C/C tienen un gran potencial de desarrollo en la industria de fabricación aeroespacial.
Vale la pena mencionar que uno de los principales problemas de los compuestos basados en C/C en aplicaciones de motores aeronáuticos es la poca resistencia a la oxidación, por lo que en los últimos años, EE. UU. ha tomado una serie de medidas de proceso para resolver este problema y aplicarlas gradualmente a motores nuevos Por ejemplo, la tobera de cola del motor F119, la tobera y la cámara de combustión también están hechos de materiales compuestos basados en C/C.
Campo de rodamiento mecánico
Los rodamientos son un componente extremadamente importante de los equipos mecánicos y se utilizan con mucha frecuencia. Su función principal es soportar el cuerpo giratorio mecánico, reducir su coeficiente de fricción cuando se mueve y garantizar su precisión giratoria. Su función es similar a la de las articulaciones humanas, conocidas como "articulaciones de maquinaria", es el alma de todas las articulaciones giratorias.maquinaria, por lo que también se le conoce como el chip de la industria de la maquinaria.
El material de nitruro de silicio es un cristal artificial de alta resistencia con baja densidad, alta dureza, resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión, aislamiento eléctrico, impermeabilidad, alta resistencia a la compresión, buenas propiedades de autolubricación y muchos otros puntos. El cojinete cermaic híbrido hecho de las ventajas de alta resistencia a la compresión del material de nitruro de silicio y alta resistencia a la flexión y buena tenacidad del acero aleado, y tiene una serie de ventajas como peso ligero, alta velocidad final, par de fricción pequeño, buena precisión de funcionamiento y Larga vida útil a alta temperatura en comparación con los rodamientos de bolas de acero ordinarios.
Los rodamientos cerámicos de bolas de nitruro de silicio son los rodamientos cerámicos de gama alta más investigados, de mayor rendimiento y más utilizados del mundo. Los rodamientos de bolas de cerámica de nitruro de silicio son casi sinónimos de rodamientos de cerámica. Según los datos del Foresight Industrial Reserach Institute, el tamaño minorista del mercado de bolas de rodamientos de cerámica de nitruro de silicio alcanzó los 70,1 mil millones de yuanes en 2020, se espera que el tamaño del mercado alcance los 72,3 mil millones de yuanes en 2021, con una tasa de crecimiento compuesta anual promedio de 11.26% en los próximos cinco años, y se espera que alcance los 110,8 billones de yuanes en 2025, con vehículos de nueva energía como el principal punto de crecimiento.
Por el lado de la oferta, los principales fabricantes mundiales de esferas de nitruro de silicio incluyen a Toshiba, Tsubaki, Nakashima, CoorsTek, AKS e IndustrialTectonicsInc, que representan el 45 % de la cuota de mercado mundial de esferas de nitruro de silicio. Asia Pacífico es actualmente el mayor mercado de esferas de nitruro de silicio con una cuota de mercado del 48 %, seguida de Europa y América del Norte.
Nuevos campos de energía
Junto con el rápido desarrollo de la tecnología electrónica y la demanda mundial de vehículos de nueva energía, las baterías de iones de litio dominan el mercado en muchas aplicaciones con las ventajas de alta capacidad, peso ligero, recargables y baja autodescarga. En la actualidad, China es la base de producción de baterías de litio más grande del mundo, el potencial de desarrollo de las baterías de litio de China es enorme. Sin embargo, todavía existen problemas con la seguridad y el ciclo de vida de las baterías de iones de litio, como la ocurrencia de numerosas combustión espontánea de teléfonos celulares, incendios de automóviles eléctricos, explosiones y otros accidentes que hacen sonar la alarma de seguridad.
Sem y estructura esquemática del diafragma compuesto de cerámica AlOOH
Los materiales de revestimiento de diafragma cerámico generalmente se eligen entre alúmina y boehmita. La batería de iones de litio se compone de cuatro partes: electrodo (positivo y negativo), aislamiento (diafragma), electrolito y carcasa, de los cuales el diafragma es uno de los componentes internos clave, que no solo permite que los iones de litio se incrusten y -Incrustado entre los electrodos positivo y negativo para garantizar el rendimiento cíclico de la batería, pero también hace que los electrodos positivo y negativo estén aislados durante la ingeniería de trabajo para garantizar el rendimiento de seguridad de la batería. Para el rendimiento del ciclo y las consideraciones de rendimiento de seguridad, los fabricantes de diafragmas nacionales y extranjeros apuntan al diafragma de cerámica, debido a la resistencia a los solventes orgánicos del diafragma de cerámica, buena compatibilidad con electrolitos, alta tasa de absorción, alta resistencia a la tracción, alta resistencia a la perforación, baja contracción térmica, alta rotura de película temperatura, baja tasa de contracción térmica.
De acuerdo con la patente de invención del separador de batería de litio de BYD "un separador de batería y su método de preparación" (CN201310750910.7), en la suspensión de recubrimiento inorgánico, la relación de masa de agua es 76%, y la relación de masa de material sólido partículas de revestimiento cerámico y resina los materiales son 22% y 2% respectivamente. Por lo tanto, las partículas de revestimiento cerámico representadas por la bomita son las materias primas más importantes para los materiales de revestimiento de baterías de litio.
Por el lado de la demanda, según el "Libro blanco sobre la industria de separadores de baterías de iones de litio de China (2020)" publicado conjuntamente por el instituto de investigación EVTank y el Instituto de Economía Ivey, el envío de materiales de revestimiento de baterías de litio en China en 2019 es de 15.500 toneladas. de las cuales se envían 14.000 toneladas de materiales de revestimiento inorgánicos, que representan el 90,32 %, materiales de revestimiento orgánicos, combinación de materiales de revestimiento orgánicos e inorgánicos representan menos del 10 %, materiales de revestimiento inorgánicos para la corriente principal de los materiales de revestimiento del mercado. Se espera que la cantidad de materiales de revestimiento inorgánicos alcance los 4040 millones de metros cuadrados en 2025.
Lado de la oferta, con la expansión de los materiales de porcelana nacional, el campo de revestimiento de cerámica nacional mostrará dos patrones de competencia grandes y pequeños. En el campo de los materiales de revestimiento de baterías de litio, según las estadísticas, en 2019, la batería de litio NabaltecAG de Alemania con envíos de Bumite de 0,48 millones de toneladas, lo que representa el 37%, ocupando el primer lugar en el mundo, la batería de litio One Stone pass con envíos de Bumite de 0,47 millones toneladas, que representan el 36%, ocupando el segundo lugar en el mundo,el primer doméstico.
Campo de adsorción de escape de vehículos
En los últimos años, dado que el gobierno chino otorga gran importancia a los problemas de protección ambiental, se han actualizado las regulaciones de emisiones de diésel de servicio pesado y los límites se vuelven cada vez más estrictos. El próximo estándar National VI se considera uno de los estándares de emisión más estrictos del mundo.
Las cerámicas de nido de abeja son materiales cerámicos con una gran cantidad de pasajes internos de nido de abeja. Las cerámicas celulares tienen las ventajas de una alta densidad de poros y una gran superficie específica; bajo coeficiente de expansión térmica y buena estabilidad térmica; resistencia a ácidos y álcalis y solventes orgánicos, buena resistencia a la corrosión; excelentes propiedades mecánicas; excelentes propiedades antibacterianas, etc. Se utilizan principalmente como portadores de dispositivos catalíticos para operaciones de carga de catalizadores activos y aditivos catalíticos, y son los portadores de catalizadores más comunes para catalizadores de tratamiento de gases de escape.
El mercado nacional de cerámica de panal aún está monopolizado por empresas extranjeras, y el campo comercial nacional tiene un amplio espacio para la sustitución de importaciones.
El polvo de alúmina de alta pureza es un micropolvo blanco, tamaño de partícula uniforme, fácil de dispersar, propiedades químicas estables, rendimiento moderado de contracción a alta temperatura, con buen rendimiento de sinterización; Ampliamente utilizado en el revestimiento cerámico de gases de escape de automóviles. Los componentes activos de los catalizadores de los gases de escape de los automóviles suelen necesitar adherirse al revestimiento para garantizar cierta dispersión, estabilidad térmica y resistencia mecánica. Entre los diversos tipos cristalinos de alúmina, el γ-Al2O3 tiene una gran capacidad de adsorción y una gran área de superficie específica, y es el principal material de recubrimiento utilizado en la actualidad.
Según el estándar nacional seis, el DOC y el DPF de los vehículos diésel se utilizarán para el recubrimiento de alúmina y, según las estadísticas de la Asociación de Cerámica Celular, el volumen del recubrimiento es aproximadamente el 20% del volumen de cerámica celular, que se puede calcular para utilizarse en vehículos diésel a unos 120 g/L. Se estima que la demanda nacional de alúmina alcanzará las 11.171 toneladas en 2022.
Este artículo está tomado de iacechina.com
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